Reaktionopeus on arvo, joka osoittaa reagoivien aineiden pitoisuuden muutoksen tietyn ajanjakson aikana. Sen koon arvioimiseksi on tarpeen muuttaa prosessin alkuehtoja.
Homogeeninen vuorovaikutus
Joidenkin samassa aggregaattimuodossa olevien yhdisteiden välinen reaktionopeus riippuu otettujen aineiden tilavuudesta. Matemaattisesta näkökulmasta on mahdollista ilmaista homogeenisen prosessin nopeuden ja pitoisuuden muutoksen välinen suhde aikayksikköä kohti.
Esimerkki tällaisesta vuorovaikutuksesta on typpioksidin (2) hapettuminen typpioksidiksi (4).
Heterogeeniset prosessit
Eri aggregaatiotilassa olevien lähtöaineiden reaktionopeudelle on ominaista lähtöreagenssien moolimäärä pinta-alayksikköä kohti aikayksikköä kohti.
Heterogeeniset vuorovaikutukset ovat ominaisia järjestelmille, joilla on erilaiset aggregaattitilat.
Yhteenvetona voidaan todeta, että reaktionopeus osoittaa muutosta alkuperäisten reagenssien (reaktiotuotteiden) moolimäärässäaikajakso, yksikköliitäntää tai tilavuusyksikköä kohti.
Keskittyminen
Otetaan huomioon tärkeimmät reaktionopeuteen vaikuttavat tekijät. Aloitetaan keskittymisestä. Tällainen riippuvuus ilmaistaan joukkotoiminnan lailla. Vuorovaikutuksessa olevien aineiden pitoisuuksien tulon, niiden stereokemiallisten kertoimien perusteella, ja reaktion nopeuden välillä on suoraan verrannollinen suhde.
Tarkastellaan yhtälöä aA + bB=cC + dD, jossa A, B, C, D ovat nesteitä tai kaasuja. Yllä olevalle prosessille kineettinen yhtälö voidaan kirjoittaa ottaen huomioon suhteellisuuskerroin, jolla on oma arvonsa jokaiselle vuorovaikutukselle.
Pääasiallisena syynä nopeuden kasvuun voidaan havaita reagoivien hiukkasten törmäysten määrän lisääntyminen tilavuusyksikköä kohti.
Lämpötila
Harkitse lämpötilan vaikutusta reaktionopeuteen. Homogeenisissa systeemeissä tapahtuvat prosessit ovat mahdollisia vain hiukkasten törmääessä. Mutta kaikki törmäykset eivät johda reaktiotuotteiden muodostumiseen. Vain siinä tapauksessa, että hiukkasilla on lisääntynyt energia. Kun reagensseja kuumennetaan, havaitaan hiukkasten kineettisen energian kasvua, aktiivisten molekyylien lukumäärä kasvaa, joten reaktionopeuden lisääntyminen havaitaan. Lämpötilaindeksin ja prosessinopeuden välinen suhde määräytyy van't Hoff -säännön mukaan: jokainen lämpötilan nousu 10°C lisää prosessinopeutta 2-4-kertaiseksi.
Katalyytti
Ottaen huomioon reaktionopeuteen vaikuttavat tekijät, keskitytään aineisiin, jotka voivat nopeuttaa prosessia, eli katalyytteihin. Katalyytin ja lähtöaineiden aggregaatiotilasta riippuen erotetaan useita katalyysityyppejä:
- homogeeninen muoto, jossa lähtöaineilla ja katalyytillä on sama aggregaatiotila;
- heterogeeninen, kun lähtöaineet ja katalyytti ovat samassa faasissa.
Nikkeli, platina, rodium ja palladium voidaan erottaa esimerkkeinä vuorovaikutusta kiihdyttävistä aineista.
Inhibiittorit ovat aineita, jotka hidastavat reaktiota.
Yhteysalue
Mikä muu määrittää reaktionopeuden? Kemia on jaettu useisiin osiin, joista jokainen käsittelee tiettyjen prosessien ja ilmiöiden tarkastelua. Fysikaalisen kemian kurssilla tarkastellaan kosketusalueen ja prosessin nopeuden välistä suhdetta.
Reagenssien kosketuspinnan lisäämiseksi ne murskataan tiettyyn kokoon. Nopein vuorovaikutus tapahtuu liuoksissa, minkä vuoksi monet reaktiot suoritetaan vesipitoisessa väliaineessa.
Kiintoaineita jauhettaessa mittaa on noudatettava. Esimerkiksi kun rikkikiisu (rautasulfiitti) muunnetaan pölyksi, sen hiukkaset sintrautuvat uunissa, mikä vaikuttaa negatiivisesti tämän yhdisteen hapettumisnopeuteen ja rikkidioksidin saanto laskee.
Reagenssit
Yritetään ymmärtää, kuinka määrittää reaktionopeus riippuen siitä, mitkä reagenssit ovat vuorovaikutuksessa? Esimerkiksi aktiiviset metallit, jotka sijaitsevat Beketovin sähkökemiallisessa sarjassa ennen vetyä, pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa happoliuosten kanssa, ja ne, jotka ovat H2 jälkeen, eivät omaa tällaista kykyä. Syy tähän ilmiöön on metallien erilaisessa kemiallisessa aktiivisuudessa.
Paine
Miten reaktionopeus liittyy tähän arvoon? Kemia on tiede, joka liittyy läheisesti fysiikkaan, joten riippuvuus on suoraan verrannollinen, sitä säätelevät kaasulait. Summien välillä on suora yhteys. Ja jotta ymmärtää, mikä laki määrää kemiallisen reaktion nopeuden, on tiedettävä aggregaatiotila ja reagenssien pitoisuus.
Nopeustyypit kemiassa
On tapana erottaa hetkelliset ja keskiarvot. Keskimääräinen kemiallisen vuorovaikutuksen nopeus määritellään lähtöaineiden pitoisuuksien erona tietyn ajanjakson aikana.
Saatu arvo on negatiivinen, kun pitoisuus pienenee, positiivinen, kun vuorovaikutustuotteiden pitoisuus kasvaa.
Todellinen (hetkellinen) arvo on tällainen suhde tietyssä aikayksikössä.
SI-järjestelmässä kemiallisen prosessin nopeus ilmaistaan [mol×m-3×s-1].
Ongelmia kemiassa
Katsotaanpa joitain esimerkkejä nopeuden määrittämiseen liittyvistä ongelmista.
Esimerkki 1. Sisäänkloori ja vety sekoitetaan astiassa, sitten seosta kuumennetaan. 5 sekunnin kuluttua vetykloridin pitoisuus sai arvon 0,05 mol/dm3. Laske kloorivedyn keskimääräinen muodostumisnopeus (mol/dm3 s).
On tarpeen määrittää kloorivedyn pitoisuuden muutos 5 sekuntia vuorovaikutuksen jälkeen vähentämällä alkuarvo lopullisesta pitoisuudesta:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Laske kloorivedyn keskimääräinen muodostumisnopeus:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
Esimerkki 2. Astiassa, jonka tilavuus on 3 dm3, tapahtuu seuraava prosessi:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
Vedyn alkumassa on 1 g. Kaksi sekuntia vuorovaikutuksen alkamisen jälkeen vedyn massa on saavuttanut arvon 0,4 g. Laske etaanin tuotannon keskimääräinen nopeus (mol/dm 3×s).
Reagoineen vedyn massa määritellään erotuksena alkuarvon ja lopullisen luvun välillä. Se on 1 - 0,4=0,6 (g). Vetymoolien määrän määrittämiseksi on tarpeen jakaa se tietyn kaasun moolimassalla: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mol. Yhtälön mukaan 1 mooli etaania muodostuu 2 moolista vetyä, joten 0,3 moolista H2 saadaan 0,15 moolia etaania.
Määritä tuloksena olevan hiilivedyn pitoisuus, saamme 0,05 mol/dm3. Sitten voit laskea sen keskimääräisen muodostumisnopeuden:=0,025 mol/dm3 ×s.
Johtopäätös
Kemiallisen vuorovaikutuksen nopeuteen vaikuttavat useat tekijät: reagoivien aineiden luonne (aktivointienergia), niiden pitoisuus, katalyytin läsnäolo, jauhatusaste, paine, säteilyn tyyppi.
1800-luvun jälkipuoliskolla professori N. N. Beketov ehdotti, että alkuperäisten reagenssien massojen ja prosessin keston välillä on yhteys. Tämä hypoteesi vahvistettiin massatoiminnan laissa, jonka norjalaiset kemistit P. Wage ja K. Guldberg perustivat vuonna 1867.
Fysikaalinen kemia tutkii eri prosessien mekanismeja ja nopeuksia. Yksinkertaisimpia yhdessä vaiheessa tapahtuvia prosesseja kutsutaan monomolekyyliprosesseiksi. Monimutkaisiin vuorovaikutuksiin liittyy useita alkeellisia peräkkäisiä vuorovaikutuksia, joten jokainen vaihe käsitellään erikseen.
Reaktiotuotteiden maksimaalisen saannon saamiseksi minimaalisilla energiakustannuksilla on tärkeää ottaa huomioon tärkeimmät prosessin kulkuun vaikuttavat tekijät.
Esimerkiksi veden hajoamisen nopeuttamiseksi yksinkertaisiksi aineiksi tarvitaan katalyytti, jonka roolia suorittaa mangaanioksidi (4).
Kaikki reagenssien valintaan, optimaalisen paineen ja lämpötilan valintaan sekä reagenssien pitoisuuteen liittyvät vivahteet otetaan huomioon kemiallisessa kinetiikassa.
